عوامل مؤثر بر مدول کامپوزیت های پلیمری

پلیمرها به دلیل محدودیت های مختلف همچون سختی، استحکام و قیمت تمام شده، نیاز به تقویت شدن با موادهای مختلف دارند. به همین منظور پلیمرها را با مواد معدنی مانند سیلیس، الیاف شیشه، میکا، کربنات کلسیم و غیره مخلوط می کنند و سپس در تولید قطعات مختلف به کار می گیرند. نکته مهم آنست که در طراحی فرمولاسیون ین کامپاندهای پلیمری پر مصرف، تاثیر پارامترهای مختلف بر خواص محصول نهایی مد نظر قرار گیرد. در این مقاله تاثیر سایز ذرات این مواد و مقدار وزنی آن ها و همچنین چسبندگی بین سطح آنها بر بهبود مدول پلیمرها بررسی می شود. همانگونه که می دانیم، مدول یانگ هر ماده بیانگر میزان سفتی آن ماده می باشد و مقدار آن از نسبت تنش به کرنش در قسمت خطی نمودار تنش-کرنش به دست می آید. با به کار بردن ذرات معدنی نانو و میکرو در ماتریس پلیمر، مدول یانگ به طور خاص افزایش می یابد که ناشی از سخت تر بودن این ذرات نسبت به ماتریس پلیمری است. اما میزان افزایش مدول تحت تاثیر عواملی است که در ادامه بررسی می شوند.

۱- اثر سایز ذرات

به منظور بررسی دقیق اثر سایز ذرات بر خواص پلیمر، بهتر است این پارامتر را به دو بخش سایزهای بالای تر یک میکرون و کمتر از آن طبقه بندی نمود.

در سایزهای بالاتر از یک میکرون، به عنوان مثال ذرات آلومینا تری هیدرات با قطر متوسط ۱، ۲، ۵، ۸ و ۱۲ میکرون به میزان ۳۰ درصد وزنی در کامپوزیت های اپوکسی ترکیب شده اند. مدول هر کدام از کامپوزیت ها، اندازه گیری شده که نتایج آن در جدول ۱ آمده است:

                                               جدول ۱: مدول کششی کامپوزیت های اپوکسی پر شده با آلومینا تری هیدرات

مدول کششی (GPa)قطر متوسط (میکرون)
۳/۸بدون افزودنی
۶/۹۱
۷/۲۲
۷/۴۵
۶/۶۸
۶/۶۱۲

 

از داده های جدول فوق مشخص است که در این رنج از تغییرات سایز ذرات آلومینا تری هیدرات ( بالاتر از یک میکرون)، مدول کششی  تحت تاثیر شگرفی قرار نگرفته است.

در همین رنج ( بالاتر از یک میکرون)، اثر سایز ذرات کروی شیشه در رنج ۴/۵ تا ۶۲ میکرون بر روی مدول الاستیک کامپوزیت های اپوکسی پر شده با مقادیر حجمی مختلف از ذرات کروی شیشه در شکل ۱ نشان داده شده است:

شکل ۱: اثر سایز ذرات بر روی مدول کامپوزیت های پر شده با ذرات کروی شیشه در مقادیر حجمی ۱۰، ۱۸، ۳۰، ۴۰و ۴۶ درصد که به ترتیب از پایین به بالا نمودار آن رسم شده است.

نمودار های شکل ۱ نشان می دهد که در مقادیر حجمی ۱۰ تا ۱۸ درصد از ذرات شیشه در سایزهای مختلف بالاتر از یک میکرون، مدول تحت تاثیر سایز ذرات قرار نمی گیرد اما در مقادیر حجمی بالاتر از ۳۰ تا ۴۶ درصد، مدول با افزایش سایز ذرات، به آرامی کاهش می یابد.

نتایج فوق نشان می دهد که سایز ذرات اثر کمی بر مدول کامپوزیت ها در این رنج از سایز ( بالاتر از یک میکرون) دارد. ولی این تاثیر در سایزهای کمتر از یک میکرون خصوصا نانومتری به شکل دیگری می باشد.

 چنانچه در مورد کامپوزیت های پلی پروپیلن حاوی کربنات کلسیم، کاهش سایز ذرات از ۳۹ نانومتر به ۲۱ نانومتر باعث افزایش مدول قابل توجه می شود که در شکل ۲ نشان داده شده است:

شکل ۲: مدول یانگ نانوکامپوزیت های پلی پروپیلن حاوی کربنات کلسیم با سایز ۲۱ و ۳۹ نانومتر در مقادیر وزنی مختلف

یا در یک مثال دیگر مدول یانگ پوشش های پلی سیلوکسان حاوی نانوسیلیکا، با کاهش سایز از ۳۵ نانومتر به ۱۵ نانومتر، مدول یانگ افزایش می یابد که در شکل ۳ نشان داده شده است:

شکل ۳: مدول یانگ نانوکامپوزیت پلی سیلوکسان حاوی نانو سیلیکا با سایز ۱۵ و ۳۵ نانومتر در مقادیر وزنی مختلف

این افزایش چشمگیر مدول با کاهش سایز ذرات معدنی در مقیاس نانو به سطح ویژه بالای نانوذرات مربوط می شود، به گونه ای که نسبت مساحت به حجم آنها زیاد بوده و در نتیجه به هنگام اختلاط با پلیمرها سطح بیشتری از زنجیرهای پلیمر را پوشش می دهند و باعث افزایش مدول می شوند.

بنابراین در این رنج از سایز ( کمتر از یک میکرون) کاهش سایز ذرات باعث افزایش چشمگیر مدول می گردد.

۲- اثر چسبندگی بین ذرات با ماتریس پلیمری

اثر عامل فوق در مورد کامپوزیت های پلی پروپیلن حاوی باریم سولفات که در آن ها از عامل جفت کننده برای چسبندگی ذرات به ماتریس پلیمر استفاده شده، در شکل ۴ نشان داده شده است. در این کامپوزیت ها از عوامل استئاریک اسید، سیلان و پلی پروپیلن پیوند شده با مالییک انیدرید به عنوان عامل اتصال دهنده پلیمر به باریم سولفات استفاده شده است. پلی پروپیلن حاوی باریم سولفات بدون عامل جفت کننده با نام  C-0، پلی پروپیلن حاوی باریم سولفات پوشش داده شده با یک درصد استئاریک اسید با نام C-SA، پلی پروپیلن حاوی باریم سولفات پوشش داده شده با یک درصد سیلان AMPTES با نام C-SI و پلی پروپیلن پیوند خورده با مالییک انیدرید حاوی باریم سولفات با نام C-MAH مشخص شده اند.

شکل ۴ : مدول یانگ کامپوزیت های پلی پروپیلن حاوی مقادیر مختلف باریم سولفات با استفاده از انواع عامل جفت کننده

از نمودارهای شکل ۴ مشخص می شود که در مقادیر یکسان از باریم سولفات، پلی پروپیلن پیوند خورده با مالییک انیدرید حاوی باریم سولفات مدول بالاتری نسبت به سایر کامپوزیت ها دارد. در رابطه با روش عملکرد پلی پروپیلن پیوند خورده با مالییک انیدرید در اتصال پلیمر به ذرات معدنی در مقاله های قبلی سایت توضیح داده شده است.

۳- اثر مقدار ذرات معدنی

اثر افزایش مقدار ذرات معدنی در کامپوزیت های پلیمری در شکل های ۲ و ۳ و ۴ نشان داده شد و مشخص گردید که با افزایش مقدار ذرات معدنی مدول کامپوزیت های پلیمری افزایش می یابد و دلیل آن این است که ذرات معدنی نسبت به ماتریس پلیمر ذرات سفت تری هستند که به کار گیری آن ها در مقادیر بالاتر باعث افزایش مدول کامپوزیت ها می شود. در همین رابطه، فرمول تجربی Einstein مقدار مدول کامپوزیت پلیمری را بر اساس کسر حجمی ذرات معدنی پیش بینی می کند:

Ec/Em = 1 + 2.5 Vp

در رابطه فوق Ec بیانگر مدول کامپوزیت و Em مدول پلیمر و Vp کسر حجمی ذرات معدنی می باشد.

مقاله فوق برگرفته از مقاله Effects of particle size, particle/matrix interface adhesion and particle loading on mechanical properties of particulate–polymer composites است که در مجله Composites در سال ۲۰۰۸ چاپ شده است.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *